室溫下的固態邁射

2012/08/19 |

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一如今日 Nature 期刊中的報導，科學家目前展示一種能在室溫下運作的固態「邁射（MASER）」，為其廣泛應用鋪路。

邁射代表 Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation（微波受激發射放大）。基於這種過程（也是同樣的縮寫，下文用原文來表示）的裝置在五十多年前由科學家開發出來，比雷射的發明還更早。並非像雷射那樣創造出強烈的光束，相反的，邁射傳送集中的微波束。

傳統邁射技術利用堅硬的無機晶體，例如紅寶石，來放大微波，此過程稱為「masing」。然而，相較於雷射，邁射的技術性衝擊較小，因為要使其運作的極端條件難以產生；不是超低壓（由特殊真空腔與幫浦所提供），就是溫度接近絕對零度的冰凍狀態（由特殊的致冷器所支持）。更糟的是，也常常要用到強大的磁場，而那需要大型磁鐵。

現在，來自 National Physical Laboratory (NPL) 以及倫敦帝國學院的團隊已在一個室溫下、未施加磁場的固態裝置中展示 masing。今日的突破意味製造、運作邁射的成本能大幅減少，可能導致它們如雷射技術那樣被廣泛使用。

研究者指出，為了掃描病患，室溫邁射能用來製造更敏感的醫療儀器、為了遠端偵測爆裂物，能用來改良化學感應器；為了量子電腦，能製造出雜訊更低的讀取機器，另外為了偵測其他星球上的可能生命，它能用來製造出更好的無線電望遠鏡。

在 NPL 的研究共同作者 Dr Mark Oxborrow 表示："半世紀以來，邁射已被遺忘，是雷射的麻煩表親。我們的設計突破將使邁射為業界與消費者所用。"

倫敦帝國學院材料系系主任以及論文共同作者 Professor Neil Alford 補充："當雷射被發明時沒人確切知道它們將如何被使用，然而隨著科技蓬勃發展至今，雷射在我們日常生活中已相當普及。要使邁射達到這種程度，我們還有很長的路要走，但我們的突破確實意味這項技術已如字面所示「come out of the cold（雙關語，意指不再被忽視，另一意指可以在室溫下運作）」，並開始變得更有用。"

傳統的邁射技術使用硬質無機晶體，例如紅寶石，只有當紅寶石維持在非常的低溫下才有用。該團隊發現一種全然不同類型的結晶體，即摻雜五環素（pentacene）的 p-terphenyl（對三聯苯），能取代紅寶石，且能在室溫下重現相同的 masing 過程。

身為一種奇妙的轉變：五環素的摻雜反而使無色的 p-terphenyl 轉變成強眼的紅粉色（reddish pink） — 使得它看起來猶如紅寶石！

這個團隊目前面臨的雙重挑戰是使邁射能持續作用，其第一個裝置只能以脈衝模式運作，每次只有幾分之一秒。他們也要讓它能在微波頻率以外的範圍運作，而不是只有像目前這樣的窄頻，那將使這項科技更有用。

長期來說，該團隊有其他一系列目標，包括確認各種不同能在室溫下 mase 且耗能比摻雜五環素的 p-terphenyl 還要少的材料。該團隊也將聚焦在創造新設計上，那將使邁射更小、更可攜。

原始文獻:

Mark Oxborrow, Jonathan D. Breeze, Neil M. Alford
Nature, 488, 353–356, (16 August 2012)
doi: 10.1038/nature11339

資料來源:PHYSORG:MASER power comes out of the cold: Researchers demo solid-state MASER capable of operating at room temperatures[August 15, 2012]

轉載自only-perception